CN110260550A - 复叠式高温热泵机组 - Google Patents
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Abstract
一种复叠式高温热泵机组,包括低温级热力循环、高温级热力循环，所述低温级热力循环、高温级热力循环均与执行末端循环连接，其特征在于，低温级热力循环包括低温级过冷器，所述高温级热力循环包括高温级蒸发器，所述过冷器与蒸发器为共用耦合结构。其有益效果是：实现室外温度从‑40℃到10℃区间内启动，供水温度依据建筑负荷需求和末端情况从30℃到90℃自动调节，适应各种末端设备形式，能实现低温工况下空气源热泵持续稳定的制热输出、较高的能效比、较高的供水温度。
Description
技术领域
本发明涉及热泵机组领域，特别是一种复叠式高温热泵机组。
背景技术
冬季供暖是我国北方居民的基本生活需求。目前，北方供暖应用的主要能源是煤炭，燃煤供暖面积约占总供暖面积的83％。据统计，我国供暖用煤年消耗约4.4亿吨标煤，占全国建筑能耗13.9亿吨标煤的32％以上，占我国全社会总能耗43.6亿吨标煤的10％。煤炭燃烧供暖的能源利用率低，环境污染严重。为了减少大气污染，促进能源消费革命和供给侧结构性改革，实施电能替代成为我国当前的能源发展战略。低温空气源热泵作为北方地区冬季燃煤供暖的重要替代方式，具有清洁、环保、经济、高效等优点。根据《低环境温度空气源热泵(冷水)机组能效限定值及能效等级(GB 37480-2019)》，低温型空气源热泵的额定出水温度可为35℃、41℃和50℃，分别对应低温辐射采暖末端、强制对流采暖末端，以及自然对流和辐射结合的采暖末端。而针对我国应用较为广泛的暖气片末端设备，其供回水温度宜为75/50℃，常规低温空气源热泵系统基本无法实现该温度，或者实现该温度的空气源热泵系统性能和能效很差。而且，低温制热模式下，常规热泵压缩机的压缩比会显著增大，排气温度迅速升高，则压缩机及机组能效会急剧下降；同时，由于低环温及蒸发器侧的结霜，导致空气源热泵从空气中的吸热能力下降，制热量大幅衰减，从而影响建筑的供暖效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种复叠式高温热泵机组。具体设计方案为：
一种复叠式高温热泵机组,包括低温级热力循环、高温级热力循环，所述低温级热力循环、高温级热力循环均与执行末端循环连接，其特征在于，低温级热力循环包括低温级过冷器，所述高温级热力循环包括高温级蒸发器，所述过冷器与蒸发器为共用耦合结构。
所述共用耦合结构指的是共用换热器，即该换热器既为低温级过冷器，同时又为高温级蒸发器。由于热泵机组的制热量主要取决于冷凝器的放热量，而冷凝器的放热量来源于热力循环工质从蒸发器处换热得到的吸热量。即，本复叠系统的高温级制热量主要来源于高温级蒸发器的吸热量，也就是低温级过冷器的放热量。同时，低温级过冷器的放热量还影响低温级制热量。即本复叠系统的总制热量通过共用换热器耦合确定。
所述执行末端循环包括空调机组末端、风机盘管末端、地板辐射末端、暖气片末端。
所述低温级热力循环、高温级热力循环之间串联连接，具体的，所述高温级冷凝器的出水口、所述低温级冷凝器的入水口分别与执行末端循环的入水口、出水口连接，所述高温级冷凝器的入水口与所述低温级冷凝器的出水口连接。
所述低温级热力循环、高温级热力循环之间并联连接，具体的，所述高温级冷凝器的出水口、所述低温级冷凝器的出水口均与执行末端循环的输入端连接，所述高温级冷凝器的入水口、所述低温级冷凝器的入水口均与所述执行末端循环的输出端连接。
所述串联连接中，所述低温级热力循环与高温级热力循环的温差大于并联连接。
所述高温级热力循环包括高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀，所述高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀依次连接，所述高温级蒸发器分别与压缩机、高温级节流阀连接，所述高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀、高温级蒸发器整体形成环状流体回路的高温级热力循环，所述高温级冷凝器与所述执行末端循环换热连接，所述高温级压缩机、高温级冷凝器、高温级节流阀、高温级蒸发器分别用于表示安装于高温级热力循环中的节流阀、蒸发器、压缩机、冷凝器。
所述低温级热力循环包括低温级冷凝器、低温级压缩机、低温级蒸发器、低温级节流阀，所述低温级冷凝器、低温级压缩机、低温级蒸发器、低温级节流阀依次连接，所述低温级过冷器分别与所述低温级节流阀、低温级冷凝器连接，所述低温级冷凝器、低温级压缩机、低温级蒸发器、低温级节流阀、低温级过冷器整体形成环状流体回路的低温级热力循环，所述低温级冷凝器与所述执行末端循环换热连接，所述低温级冷凝器、低温级压缩机、低温级蒸发器、低温级节流阀、低温级过冷器分别用于表示安装于低温热力循环中的冷凝器、压缩机、蒸发器、节流阀、过冷器。
优先的，低温级压缩机可为常规补气增焓型压缩机，如带补气增焓功能的涡旋、活塞或螺杆压缩机；采用跨临界工质，在超临界条件下，其放热过程存在相当大的温度滑移，利于热水的升温，能获得较高的供水温度。高温级压缩机采用磁悬浮离心式压缩机，采用高温单一环保工质，能实现供热温度高、循环温升小、冷凝压力低于临界压力的中高温热泵循环。
磁悬浮离心式压缩机依靠磁悬浮轴承利用电磁力将转子悬浮在设定的位置，具有无机械接触、无磨损、高效率等优点，延长使用寿命，且噪音低、无喘振。同时可根据实际负荷和压力比例调节转速，比传统压缩机在部分负荷下表现出极高的性能，从而取得很好的节能效果。
采用最佳的复叠比例，在确定的供回水温度和基本热力循环的压缩机排气量下，能获取较高的系统能效；最佳的复叠比例主要指低温级过冷器的换热面积，与低温级冷凝器换热面积的最佳比例，使得在这种条件下，热力循环能实现最大的制热量或最高的能效比。
通过设置在热力循环管路上的阀门，可单独启闭低温级热力循环、高温级热力循环，可实现单级制热、单级制冷的功能；
采用磁悬浮高温热泵和相关常规热泵或跨临界热泵构成复叠式热泵供热，并同时兼顾系统的高能效和高供水温度，对于满足暖气片末端所需求的供/回水温度75/50℃甚至更高要求的温度需求。
通过本发明的上述技术方案得到的复叠式高温热泵机组，其有益效果是：
实现室外温度从-40℃到10℃区间内启动，供水温度依据建筑负荷需求和末端情况从30℃到90℃自动调节，适应各种末端设备形式，能实现低温工况下空气源热泵持续稳定的制热输出、较高的能效比、较高的供水温度。
附图说明
图1是本发明所述复叠式高温热泵机组串联并与所述暖气片末端连接的结构示意图；
图2是本发明所述复叠式高温热泵机组串联并与所述地板辐射末端连接的结构示意图；
图3是本发明所述复叠式高温热泵机组并联并与所述空调机组末端、风机盘管末端连接的结构示意图；
图4是本发明所述复叠式高温热泵机组并联并与所述地板辐射末端连接的结构示意图；
图中，1、高温级压缩机；2、高温级冷凝器；3、高温级节流阀；4a、低温级过冷器；4b、高温级蒸发器；5、低温级节流阀；6、低温级蒸发器；7、低温级压缩机；8、低温级冷凝器；9、空调机组末端；10、风机盘管末端；11、地板辐射末端；12、暖气片末端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
一种复叠式高温热泵机组,包括低温级热力循环、高温级热力循环，所述低温级热力循环、高温级热力循环均与执行末端循环连接，其特征在于，低温级热力循环包括低温级过冷器4a，所述高温级热力循环包括高温级蒸发器4b，所述过冷器与蒸发器为共用耦合结构。
所述共用耦合结构指的是共用换热器，即该换热器既为低温级过冷器，同时又为高温级蒸发器。由于热泵机组的制热量主要取决于冷凝器的放热量，而冷凝器的放热量来源于热力循环工质从蒸发器处换热得到的吸热量。即，本复叠系统的高温级制热量主要来源于高温级蒸发器的吸热量，也就是过冷器的放热量。同时，过冷器的放热量还影响低温级制热量。即本复叠系统的总制热量通过共用换热器耦合确定。
所述执行末端循环包括空调机组末端9、风机盘管末端10、地板辐射末端11、暖气片末端12。
所述低温级热力循环、高温级热力循环之间串联连接，具体的，所述高温级冷凝器2的出水口、所述低温级冷凝器8的入水口分别与执行末端循环的入水口、出水口连接，所述高温级冷凝器2的入水口与所述低温级冷凝器8的出水口连接。
所述低温级热力循环、高温级热力循环之间并联连接，具体的，所述高温级冷凝器2的出水口、所述低温级冷凝器8的出水口均与执行末端循环的输入端连接，所述高温级冷凝器2的入水口、所述低温级冷凝器8的入水口均与所述执行末端循环的输出端连接。
所述串联连接中，所述低温级热力循环与高温级热力循环的温差大于并联连接。
所述高温级热力循环包括高温级压缩机1、高温级冷凝器2、高温级节流阀3，所述高温级压缩机1、高温级冷凝器2、高温级节流阀3依次连接，所述高温级蒸发器4b分别与压缩机1、高温级节流阀3连接，所述高温级压缩机1、高温级冷凝器2、高温级节流阀3、高温级蒸发器4b整体形成环状流体回路的高温级热力循环，所述高温级冷凝器2与所述执行末端循环换热连接，所述高温级压缩机1、高温级冷凝器2、高温级节流阀3、高温级蒸发器4b分别用于表示安装于高温级热力循环中的节流阀、蒸发器、压缩机、冷凝器。
所述低温级热力循环包括低温级冷凝器8、低温级压缩机7、低温级蒸发器6、低温级节流阀5，所述低温级冷凝器8、低温级压缩机7、低温级蒸发器6、低温级节流阀5依次连接，所述低温级过冷器4a分别与所述低温级节流阀5、低温级冷凝器8连接，所述低温级冷凝器8、低温级压缩机7、低温级蒸发器6、低温级节流阀5、低温级过冷器4a整体形成环状流体回路的低温级热力循环，所述低温级冷凝器8与所述执行末端循环换热连接，所述低温级冷凝器8、低温级压缩机7、低温级蒸发器6、低温级节流阀5、低温级过冷器4a分别用于表示安装于低温热力循环中的冷凝器、压缩机、蒸发器、节流阀、过冷器。
优先的，低温级压缩机可为常规补气增焓型压缩机，如带补气增焓功能的涡旋、活塞或螺杆压缩机；采用跨临界工质，在超临界条件下，其放热过程存在相当大的温度滑移，利于热水的升温，能获取较高的供水温度。高温级压缩机采用磁悬浮离心式压缩机，采用高温单一环保工质，能实现供热温度高、循环温升小、冷凝压力低于临界压力的中高温热泵循环。
磁悬浮离心式压缩机依靠磁悬浮轴承利用电磁力将转子悬浮在设定的位置，具有无机械接触、无磨损、高效率等优点，延长使用寿命，且噪音低、无喘振。同时可根据实际负荷和压力比例调节转速，比传统压缩机在部分负荷下表现出极高的性能，从而取得很好的节能效果；
采用最佳的复叠比例，在确定的供回水温度和基本热力循环的压缩机排气量下，能获取较高的系统能效；
最佳的复叠比例主要指低温级过冷器的换热面积，与低温级冷凝器换热面积的最佳比例，使得指在这种条件下，热力循环能实现最大的制热量或最高的能效比。具体的可参照“共用耦合结构”的解释。
所述跨临界工质，即为跨临界条件下运行的制冷剂。跨临界热泵循环为冷凝侧压力运行在临界压力以上的热泵循环，在超临界条件下，跨临界制冷剂在放热过程中存在相当大的温度滑移，利于热水的升温。从而实现较高的供水温度。以CO2为例，CO2跨临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同，跨临界制冷循环中，压缩机的吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环的吸气过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要依靠潜热完成。但是压缩机的排气压力高于临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成。
通过单独启闭低温级热力循环、高温级热力循环，可实现单级制热、单级制冷的功能；
采用磁悬浮高温热泵和相关常规热泵或跨临界热泵构成复叠式热泵供热，并同时兼顾系统的高能效和高供水温度，对于满足暖气片末端所需求的供/回水温度75/50℃甚至更高要求的温度需求。
低温制热工况下(-40℃～-5℃)，高温级压缩机1、低温级压缩机7同时启动，从压缩机出来的高温高压气态制冷剂分别经过高温级冷凝器2、低温级冷凝器8，被冷凝为高压低温的液态制冷剂。低温级高压低温的液态制冷剂，进一步经低温级过冷器4冷凝，再经低温级节流阀5减压，变成低温低压的液态制冷剂后，经过低温级蒸发器6、被蒸发为低温低压的气态制冷剂，之后进入压缩机压缩完成一个热力循环。同时，高温级高压低温的液态制冷剂，直接经高温级节流阀3减压，变成低温低压的液态制冷剂，经高温级蒸发器4后、被蒸发为低温低压的气态制冷剂，然后进入压缩机压缩也完成一个热力循环。在两个热力循环的同时作用下，冷水通过高温级冷凝器2、低温级冷凝器8侧的换热，提升为30～90℃的高温热水，用于建筑供暖。
常温制热工况下(≥-5℃)，可仅启动压缩机7，从压缩机出来的高温高压气态制冷剂经过低温级冷凝器8，被冷凝为高压低温的液态制冷剂，进一步经低温级过冷器4冷凝，再经低温级节流阀5减压后，变成低温低压的液态制冷剂，再经过低温级蒸发器6、被蒸发为低温低压的气态制冷剂，然后进入压缩机进行压缩，完成一个热力循环。同时，冷水通过冷凝器8侧的换热，提升为30～90℃的高温热水，用于建筑供暖。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种复叠式高温热泵机组,包括低温级热力循环、高温级热力循环，所述低温级热力循环、高温级热力循环均与执行末端循环连接，其特征在于，低温级热力循环包括低温级过冷器(4a)，所述高温级热力循环包括高温级蒸发器(4b)，所述过冷器与蒸发器为共用耦合结构,
所述低温级热力循环包括低温级冷凝器(8)、低温级压缩机(7)、低温级蒸发器(6)、低温级节流阀(5)，所述低温级冷凝器(8)、低温级压缩机(7)、低温级蒸发器(6)、低温级节流阀(5)、低温级过冷器(4a)整体形成环状流体回路的低温级热力循环,
所述高温级热力循环包括高温级压缩机(1)、高温级冷凝器(2)、高温级节流阀(3)，所述高温级压缩机(1)、高温级冷凝器(2)、高温级节流阀(3)、高温级蒸发器(4b)整体形成环状流体回路的高温级热力循环。
2.根据权利要求1中所述的复叠式高温热泵机组，其特征在于，所述执行末端循环包括空调机组末端(9)、风机盘管末端(10)、地板辐射末端(11)、暖气片末端(12)。
3.根据权利要求1中所述的复叠式高温热泵机组，其特征在于，所述低温级热力循环、高温级热力循环之间串联连接，具体的，所述高温级冷凝器(2)的出水口、所述低温级冷凝器(8)的入水口分别与执行末端循环的入水口、出水口连接，所述高温级冷凝器(2)的入水口与所述低温级冷凝器(8)的出水口连接。
4.根据权利要求1中所述的复叠式高温热泵机组，其特征在于，所述低温级热力循环、高温级热力循环之间并联连接，具体的，所述高温级冷凝器(2)的出水口、所述低温级冷凝器(8)的出水口均与执行末端循环的输入端连接，所述高温级冷凝器(2)的入水口、所述低温级冷凝器(8)的入水口均与所述执行末端循环的输出端连接。
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